MEMBRANES SUPPORTEES: EFFET DES CHARGES ET DES CHAMPS ELECTRIQUES DIRECTEUR DE THESE : THIERRY CHARITAT INSTITUT CHARLES SADRON, 23, RUE DU LOESS, 67083 STRASBOURG TEL : 03 88 41 40 05 ; E-MAIL : [email protected] La thèse portera sur l’étude des contributions électrostatiques aux propriétés intrinsèques (courbure, tension...) des membranes fluides et sur la contribution de l’électrostatique à la répulsion entropique entre membranes. L’étude des propriétés physiques des membranes fluides est un sujet d’importance, qui pose de nombreuses questions fondamentales et possède de nombreuses applications potentielles [1]. L’étude des propriétés intrinsèques des membranes (propriétés mécaniques, dynamiques...) et de leurs interactions avec d’autres membranes est généralement abordée soit d’un point de vue macroscopique (échelle > 1 _m) à l’aide de techniques de microscopies optiques [2], soit d’un point de vue microscopique (échelle de l’ordre du nm) par diffusion de rayonnement sur des empilements multilamellaires [3]. Les premières études ne donnent pas d’informations sur les mécanismes à l’échelle moléculaire. L’analyse et l’interprétation des secondes sont extrêmement délicates en raison du caractère multilamellaire des échantillons. Dans ce cadre, nous avons montré récemment l’important potentiel de la réflectivité spéculaire et hors- spéculaire de rayons X pour l’étude de membranes supportées uniques [4,5]. Cette technique puissante permet d'avoir accès au spectre de fluctuations de la membrane dans un domaine sub-micronique, tout en déterminant directement la tension, le potentiel d'adhésion et le module de courbure de la membrane. Cela permet d’envisager d’obtenir de manière unique des réponses originales à de nombreuses questions de la physique des membranes. En particulier, nous souhaitons dans ce travail de thèse traiter de l’influence de l’électrostatique et de champs électriques sur les propriétés de la membrane [6]. Les champs électriques, en particulier, ont une influence considérable sur les membranes et sont utilisés dans de nombreuses applications en biologie cellulaire, biotechnologies et pharmacologie, pour la fusion cellulaire, l'hybridation, l'électroporation et l'électroperméation par exemple. Ils peuvent aussi déformer et déstabiliser les bicouches. Nous avons montré récemment [5] que l’on pouvait appliquer la technique de réflectivité spéculaire et hors- spéculaire des rayons x à une membrane supportée unique (une première bicouche est adsorbée sur le substrat alors que la seconde fluctue quasi librement dans le potentiel de la première). Cette technique très puissante permet d'avoir accès de manière unique au spectre de fluctuations de la membrane dans un domaine submicronique, tout en déterminant de façon absolue la tension, le potentiel d'adhésion et le module de courbure de la membrane. Un développement intéressant sera d'appliquer une pression osmotique aux membranes afin d'étendre la gamme de de potentiels d'interaction auxquels on a accès. Figure: modèle de membrane supportée. Une première bicouche est adsorbée sur le substrat alors que la seconde fluctue quasi librement dans le potentiel de la première. La thèse portera sur l’étude des contributions électrostatiques aux propriétés intrinsèques (courbure, tension...) des membranes fluides, sur la contribution de l’électrostatique à la répulsion entropique entre les membranes, et sur le rôle des champs électriques. Dans un premier temps, la réalisation de doubles bicouches supportées de densité de charge variable sera étudiée de manière systématique. On se focalisera ensuite Réservé pour la gestion des résumés sur l’étude de l’influence de la densité de charge sur le spectre de fluctuations de la membrane et sur le rôle joué par la force ionique. On cherchera en particulier à identifier la contribution de l’électrostatique à la tension et au module de courbure de la membrane. Ces résultats seront confrontés aux prédictions théoriques [7]. En particulier, des expériences préliminaires ont montré qu'il était possible de fabriquer des membranes à l'aide de lipides chargés et que celles-ci étaient en interaction très forte, alors que la théorie semble interdire leur existence. Nous avons également montré qu'un champ électrique alternatif diminuait la tension et augmentait la rigidité de courbure des membranes. Pour bien comprendre ce phénomène, il est important de caractériser en détail la réponse en fréquence pour différentes salinités du milieu. Dans un dernier temps, on pourra également s'intéresser à des membranes « actives » capables de maintenir un potentiel entre les milieux qu'elles délimitent en pompant des ions. Ces différents points pourront donner lieu à un travail de modélisation pour interpréter les résultats expérimentaux. L’ensemble de ce travail associera diffusion de rayon X (ESRF), réflectivité des neutrons (ILL), et expériences de laboratoire: microscopie en champ proche (AFM, électro- optique...), FRAP... Nous recherchons un candidat physicien où Physico-Chimiste ayant une solide formation en Physique Générale et particulièrement en Physique Statistique, avec éventuellement des notions de bases en Physique de la Matière Condensée Molle. Des notions de programmation en Fortran ou C pourront être utile mais pourront aussi être développées pendant la thèse. Ce travail devrait conduire à une meilleure compréhension de l’effet de l’électrostatique sur les propriétés des membranes fluides, en particulier en permettant de tester les modèles théoriques. Le doctorant aura à la fin de cette thèse une formation solide en physico-chimie des membranes phospholipidiques, diffusion de rayonnement et microscopies optiques. [1] Sackmann, E., Science, 271, 43-48 (1996). [ 2] Lipowsky, R., Handbook of biological physics,(1995). [3] Nagle, J.F. and Tristram-Nagle, S., BBA Biomembranes, 1469,159-195 (2000). [4] Daillant, J. and Bellet-Amalric, E. and Braslau, A. and Charitat, T. and Fragneto, G. and Graner, F. and Mora, S. and Rieutord, F.and Stidder, B., The Proceding of the National Academy of Sciences USA, 102,11639-11644 (2005). [5] L. Malaquin, T. Charitat, J. Daillant, soumis à E.PJ.E. http://arxiv.org/abs/0910.1275 [6] Petrache,H. I and Tristram-Nagle, S. and Gawrisch, K. and Harries, D. and Parsegian, V. A.and Nagle, J. F, Biophysical Journal, 86, 1574-1586 (2004). [7] A. Fogden and J. Daicic and D. J. Mitchell and B. W. Ninham, Physica A, 234, 167-188 (1996). Réservé